Vers une plateforme intégrée en verre dédiée à l'optique quantique L'essor de la photonique quantique s'accompagne du besoin d'appareils. L'optique intégrée démontre déjà des avancées prometteuses dans de nombreuses applications quantiques. Par conséquent, il est considéré comme une caractéristique clé permettant la large diffusion des systèmes optiques quantiques. L'intégration sur puce bénéficie des développements passés des plates-formes technologiques pour les circuits intégrés photoniques classiques basés sur différents matériaux de substrat. teem PHOTONICS a mis en place sa propre plateforme ioNext pour l'optique intégrée au verre. Les guides d'ondes sont réalisés par la modification locale de la composition du verre grâce au processus d'échange d'ions. Les composants ainsi obtenus offrent de faibles pertes et une bonne compatibilité avec les fibres optiques.La thèse sera consacrée à l'évaluation de l'application de la plateforme ioNext au domaine émergent de la photonique quantique intégrée. Plusieurs dispositifs élémentaires pourraient être étudiés. Les composants d'intérêt doivent d'abord être clairement identifiés à partir de l'état de l'art. Afin d'évaluer le potentiel de l'optique intégrée au verre, des guides d'ondes seront ensuite conçus à l'aide d'une boîte à outils numérique. Les dispositifs réels seront fabriqués par la fonderie ioNext pour effectuer la caractérisation optique.
Vers une plateforme intégrée en verre dédiée à l'optique quantique L'essor de la photonique quantique s'accompagne du besoin d'appareils. L'optique intégrée démontre déjà des avancées prometteuses dans de nombreuses applications quantiques. Par conséquent, il est considéré comme une caractéristique clé permettant la large diffusion des systèmes optiques quantiques. L'intégration sur puce bénéficie des développements passés des plates-formes technologiques pour les circuits intégrés photoniques classiques basés sur différents matériaux de substrat. teem PHOTONICS a mis en place sa propre plateforme ioNext pour l'optique intégrée au verre. Les guides d'ondes sont réalisés par la modification locale de la composition du verre grâce au processus d'échange d'ions. Les composants ainsi obtenus offrent de faibles pertes et une bonne compatibilité avec les fibres optiques.La thèse sera consacrée à l'évaluation de l'application de la plateforme ioNext au domaine émergent de la photonique quantique intégrée. Plusieurs dispositifs élémentaires pourraient être étudiés. Les composants d'intérêt doivent d'abord être clairement identifiés à partir de l'état de l'art. Afin d'évaluer le potentiel de l'optique intégrée au verre, des guides d'ondes seront ensuite conçus à l'aide d'une boîte à outils numérique. Les dispositifs réels seront fabriqués par la fonderie ioNext pour effectuer la caractérisation optique.
La photonique silicium est un domaine prolifique de l'optique integree. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalites optiques, l'emission laser (en considerant les strategies d'integration hybride), la modulation electro-optique, le routage, la detection, pour les telecoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la metrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant a grande echelle avec une grande precision et a bas cout (grâce au technologies CMOS de la microelectronique). L'optique quantique, quant a elle, souffre d'une grande sensibilite aux vibrations et a l'environnement. Les montages optiques necessitent stabilite, alignement parfait et un grand nombre d'elements optiques, ce qui limite son developpement a grande echelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique integree. Le developpement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l'implementation a large echelle de systemes de cles de cryptage pour les telecoms et le calcul quantique. Les prerequis de la photonique quantique sont globalement plus severes que ceux de la photonique classique. La generation d'etats quantiques necessite notamment un niveau de rejection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est egalement un facteur a soigner particulierement dans la mesure ou les paires de photons generees par les processus quantiques sont par principe de tres faible puissance. Dans ce contexte, cette these aborde le developpement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de generer des etats intriques en energie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception a l'utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits integres optiques. La qualification des proprietes quantiques est aussi exploree afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif vise. L'esprit de ce travail est egalement de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de telecommunications standard (ITU), de n'utiliser que des composants fibres standards pour les connexions a realiser, tout en restant compatibles avec les techniques de fabrication industrielle des grandes fonderies microelectroniques afin de permettre une future production a grand echelle des circuits photoniques quantiques.
La photonique silicium est un domaine prolifique de l’optique intégrée. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalités optiques, l’émission laser (en considérant les stratégies d’intégration hybride), la modulation électro-optique, le routage, la détection, pour les télécoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la métrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant à grande échelle avec une grande précision et à bas coût (grâce au technologies CMOS de la microélectronique). L’optique quantique, quant à elle, souffre d’une grande sensibilité aux vibrations et à l’environnement. Les montages optiques nécessitent stabilité, alignement parfait et un grand nombre d’éléments optiques, ce qui limite son développement à grande échelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique intégrée. Le développement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l’implémentation à large échelle de systèmes de clés de cryptage pour les télécoms et le calcul quantique. Les prérequis de la photonique quantique sont globalement plus sévères que ceux de la photonique classique. La génération d’états quantiques nécessite notamment un niveau de réjection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est également un facteur à soigner particulièrement dans la mesure où les paires de photons générées par les processus quantiques sont par principe de très faible puissance. Dans ce contexte, cette thèse aborde le développement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de générer des états intriqués en énergie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception à l’utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits intégrés optiques. La qualification des propriétés quantiques est aussi explorée afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif visé. L’esprit de ce travail est également de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de télécommunications standard (ITU), de n’utiliser que des composants fibrés standards pour les connexions à réaliser, tout en restant compatibles avec les techniques de fabrication industrielle des grandes fonderies microélectroniques afin de permettre une future production à grand échelle des circuits photoniques quantiques.
Dispositifs photoniques hybrides III-V/SI pour l'information quantique Les technologies quantiques photoniques représentent une plateforme prometteuse pour diverses applications de l'information quantique, allant des communications longue distance à la simulation de phénomènes complexes. D'une part, les avantages offerts par les photons comme support pour l'information quantique (résistance à la décohérence, propagation sur de très longues distances, large choix de degrés de liberté pour encoder l'information) en font le choix privilégié pour de nombreuses applications relatives aux communications quantiques. D'autre part, l'émergence de la photonique quantique intégrée a conduit à la démonstration de la manipulation de photons sur des circuits complexes avec une stabilité de phase quasi parfaite. Parmi les nombreuses plates-formes explorées, les puces de silicium sur isolant (SOI), déjà utilisées dans de nombreuses applications de photonique intégré, disposent d'un large éventail de composants optiques intégrés matures, ainsi que d'une compatibilité aux procédés de fabrication industriels (CMOS) essentielle pour la diffusion à grande échelle de ces technologies. Si cette plateforme semble se prêter parfaitement pour la manipulation et la détection sur puces de photons uniques, la génération efficace et compacte d'états non classique de la lumière lui fait aujourd'hui encore défaut. Au contraire, les puces semi-conductrices AlGaAs se distinguent par leur fort potentiel pour réaliser des sources d'états non classique de lumière, grâce à leur forte non-linéarité et leur gap direct permettant à la fois une bonne efficacité et une grande intégrabilité de ces sources. Cherchant à tirer profil de la complémentarité entre ces deux plateformes, ce travail présente le développement d'une source hybride de paires de photons télécom à large bande spectrale composé d'un guide d'ondes AlGaAs basé sur des réflecteurs de Bragg directement intégré sur un guide d'onde de silicium. Cette source prend en charge deux des trois types d'accords de phase (ADP) autorisés par la structure cristalline, offrant ainsi une grande polyvalence dans la polarisation des photons émis pour diverses applications. Ce travail détaille de nombreuses stratégies de couplage dites évanescentes pour le transfert de mode optique des photons jumeaux générés dans l'AlGaAs vers le silicium. Les procédés de fabrication en salle blanche de la structure hybride sont ensuite détaillés, avec notamment la stratégie visant à reporter la plateforme AlGaAs sur la plateforme SOI. Finalement la structure hybride est caractérisée en termes de transmission optique, de réponse non linéaire et de génération de paires de photons, pour évaluer la non-classicité de l'état à deux photons généré, une mesure de l'intrication énergie-temps est réalisée à l'aide d'un interféromètre de Franson en fibre optique en configuration repliée. L'étude de la visibilité de l'intrication énergie-temps permet de démontrer la nature quantique des états générés par des visibilités dépassant 92 %, observées pour les processus de génération de type 0 et de type 2. Cette visibilité élevée, associée à la résistance intrinsèque aux perturbations de l'environnement, positionne cette source hybride comme une ressource précieuse pour les applications de l'information quantique.
Photonique quantique sur puce AlGaAs : des études fondamentales aux applications dans les protocoles d'information quantique Le domaine des technologies quantiques, qui vise à manipuler des systèmes quantiques individuels tels que les atomes et les photons, a connu des avancées significatives ces dernières années, ouvrant de nouvelles perspectives dans les domaines du calcul, de la simulation, de la communication et de la métrologie. La photonique quantique intégrée se présente comme une approche prometteuse pour la miniaturisation et la mise à l'échelle de ces technologies, permettant la génération, la manipulation et la détection d'états quantiques de la lumière directement sur puce. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la plateforme AlGaAs, qui combine plusieurs avantages pour le développement de dispositifs photoniques quantiques intégrés (bande interdite directe, fortes non-linéarités de deuxième et troisième ordre, effet électrooptique), et qui est un choix attractif pour la génération de paires de photons intriqués à température ambiante et à des longueurs d'onde télécom. le travail présenté dans ce manuscrit s'articule autour de trois parties principales. La première, consacrée l'intégration de plusieurs fonctionnalités sur une puce monolithique en AlGaAs, a permis la génération de paires de photons à large spectre et leur séparation en polarisation directement sur puce. Dans la deuxième partie, nous abordons deux questions fondamentales : celle de la limite de précision des mesures de temps basées sur l'interférence Hong-Ou-Mandel dans des conditions non idéales et celle de la nonlocalité quantique dans les réseaux triangulaires. Dans le premier cas, nous proposons un modèle et le validons expérimentalement, en démontrant la dépendance de la précision avec la visibilité de l'interférogramme pour différents types d'états de sonde ; grâce au grand niveau d'indiscernabilité des photons générés par la source AlGaAs, nous atteignons un rapport de 0,97 par comparaison à la limite quantique, établissant ainsi une nouvelle référence dans le domaine. Dans le second cas, nous démontrons pour la première fois l'existence de non-localité dans un réseau triangulaire sans supposer une indépendance complète des sources en simulant le réseau avec divers canaux en fréquence de l'état émis par notre source et en exploitant son niveau élevé d'intrication en polarisation sur une large bande spectrale. Une nouvelle inégalité de type Bell est dérivée en prenant en compte des imperfections potentielles dans les états quantiques, offrant ainsi un cadre plus réaliste pour les tests expérimentaux. Enfin, dans la troisième partie de cette thèse, nous utilisons nos sources AlGaAs dans un réseau de communication quantique déployé dans la région parisienne. Le lien fibre optique reliant les deux campus de l'Université Paris Cité et de Sorbonne Université est caractérisé expérimentalement dans les régimes classique et quantique. Les résultats fournissent une base solide pour la mise en œuvre future de protocoles cryptographiques sur un réseau urbain à fibres optiques et soulignent le potentiel de la plateforme AlGaAs pour l'implémentation de protocoles d'information quantique dans des conditions réelles.
AlGaAs quantum photonics : from device engineering to quantum information protocols La photonique quantique intégrée est l'une des principales approches pour la réalisation de technologies quantiques versatiles et flexibles. Les applications les plus notables vont du calcul quantique et la simulation quantiques aux communications sécurisées. Dans cette thèse, nous relevons certains des défis actuels de la photonique quantique intégrée avec l'aide de la plate-forme AlGaAs. Grâce à sa non-linéarite optique du second ordre, son haut indice de réfraction et son important coefficient électro-optique, ce matériau est particulièrement adapté à la génération et la manipulation sur puce de paires de photons intriqués à température ambiante et aux longueurs d'onde télécom. Ce travail de thèse est divisé en deux axes de recherches parallèles : d'une part l'intégration monolithique de nouvelles fonctionnalités sur une puce photonique quantique AlGaAs et d'autre part l'application des sources AlGaAs de photons intriqués aux communications quantiques. Dans le premier projet, nous avons commencé par montrer l'intégration monolithique d'une ligne à retard électro-optique avec une source SPDC AlGaAs de paires de photons. La ligne à retard présente une tension pi/2 de 9 V, ce qui permet de contrôler l'état des photons directement sur la puce en utilisant des composants électroniques standards. En outre, nous sommes parvenus à intégrer un séparateur de polarisation large-bande avec une source AlGaAs sur une même puce monolithique. Ce dispositif a permis de montrer une séparation efficace des polarisation avec un taux de séparation excédant les 90 % sur une bande spectrale de 45 nm. Nous avons caractérisé l'indiscernabilité spectrale des photons intriqués à la sortie du séparateur de polarisation en réalisant une interférométrie Hong-Ou-Mandel. Nous avons mesuré une visibilité de 80 %, intrinsèquement limitée par la biréfringence de la source, ce qui montre que nous parvenons à séparer de manière déterministe les paires de photons directement sur puce sans altérer leur état quantique. Dans le second projet, nous exploitons la haute qualité et large bande spectral de l'état intriqué en polarisation généré par notre source SPDC AlGaAs pour construire un réseau de communication quantique reconfigurable. Nous avons tout d'abord montré la haute qualité de l'intrication en mesurant une fidélité à un état de Bell de plus de 95 % sur une bande spectrale de 26 nm. Nous avons ensuite combiné notre source avec des techniques de multiplexage flexible en longueur d'onde issues de l'industrie télécom afin de démontrer la distribution d'intrication dans un réseau reconfigurable comprenant jusqu'à 8 utilisateurs. Nous avons appliqué notre architecture à la distribution de clé quantique en montrant un faible taux d'erreurs et un haut taux de clé secrète sur une multitude de canaux fréquentiels en incluant les effets de taille finie, le tout à travers des lien fibrés à l'échelle métropolitaine. Enfin, nous avons illustré la flexibilité de notre architecture en adaptant l'allocation de bande passante à certaines contraintes du réseau telles que le déséquilibre entre les distances des liens inter-utilistateurs. L'ensemble de ces résultats montre le potentiel de la plateforme AlGaAs pour l'implémentation de technologies quantiques versatiles ainsi que leur intégration dans les futurs réseaux quantiques à grande échelle.
L'informatique quantique est basée sur des phénomènes de physique quantique, tels que superposition et intrication et elle promet de révolutionner le monde de l'informatique. La photonique est une plateforme de premier plan pour réaliser l'informatique quantique tolérante aux erreurs. Elle possède plusieurs qualités : fonctionnement à température ambiante, fabricabilité à grande échelle à l'aide des fonderies existantes pour les puces de silicium et compatibilité avec les communications optique pour interconnecter différents ordinateurs quantiques.Notre objectif principal est d'automatiser la conception de circuits quantiques photoniques et de leurs interconnexions. Avant de pouvoir fabriquer un véritable ordinateur quantique photonique, il est essentiel de simuler numériquement et d'optimiser les circuits correspondants, qui sont en pratique construits à partir de composants gaussiens tels que des squeezers, des séparateurs de faisceaux, des déphaseurs et des détections homodynes. Pour atteindre l'universalité, nous avons également besoin d'effets non gaussiens, qui peuvent être fournis par des détecteurs résolvant le nombre de photons. Nous concevons des circuits à partir de cette boîte à outils et les optimisons pour diverses applications en utilisant divers algorithmes de descente de gradient, dont certains que nous avons adaptés à notre objectif.Les principaux apports sont :1. En photonique, les représentations de l'espace de Fock et de l'espace de phase sont des formalismes utiles pour décrire les états et les transformations quantiques. Nous introduisons une représentation unifiée dans l'espace de Fock de tous les objets gaussiens en termes d'une seule relation de récurrence linéaire qui peut générer de manière récursive leurs amplitudes dans l'espace de Fock.2. On retrouve la règle de composition des opérations gaussiennes dans l'espace de Fock, qui permet d'obtenir la bonne phase globale lors de la composition des opérations gaussiennes (normalement absente), et donc d'étendre notre modèle à des états qui s'écrivent comme combinaisons linéaires de gaussiennes.3. Notre représentation récursive est différentiable, permettant à calculer des gradients. Nous adaptons ensuite l'optimisation basée sur les gradients au problème d'optimisation des circuits. Nous implémentons un optimiseur Euclidien afin d'optimiser chaque composant. Ensuite, nous étudions deux manières de prendre en compte la géométrie: d'abord, nous appliquons l'optimisation Riemannienne, en combinant toutes les opérations gaussiennes en une transformation globale pour trouver ensuite la transformation optimisée, et la décomposer en composants optiques fondamentaux. Deuxièmement, nous généralisons une version complexe du gradient naturel pour les circuits afin d'accélérer le processus d'apprentissage.4. Nous donnons également quelques stratégies optimales basées sur les tâches pour utiliser nos relations de récurrence. De nouveaux algorithmes sont proposés pour calculer, par exemple, les amplitudes d'un état mixte et la matrice de transformation des interféromètres. De plus, nous dérivons un algorithme de contraction rapide pour les transformations gaussiennes, qui nous permet de "fusionner" le calcul des amplitudes d'une transformation gaussienne et son action sur n'importe quel état.5. Avec la simulation sur des circuits quantiques photoniques différentiables construits à partir de la relation de récurrence, nous pouvons concevoir automatiquement des circuits quantiques photoniques. Nous donnons la préparation de l'état comme premier exemple ; nous trouvons des circuits capables de produire des états de haute fidélité dans un temps raisonnable. Nous pouvons aussi optimiser un interféromètre à 216 modes pour rendre une expérience d'échantillonnage de boson gaussien difficile à usurper.6. Nous avons rendu ce travail accessible dans diverses bibliothèques open source: TheWalrus, StrawberryFields, Poenta et MrMustard.